基于模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析-孙煜

ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第7卷第31期(2011年11月)第7卷第31期(2011年11月)7基于模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析孙煜，马力（91872部队，北京102442）摘要：随着系统的规模和复杂程度的不断提高，传统的基于文档的系统工程必将产生越来越多的各种不同的文档，信息的查找、理解及更改都困难重重。模型则以它直观、无歧义、模块化、可重用等优点迅速覆盖了软件、电子等工程领域。为了支持基于模型的系统工程MBSE，国际系统工程学会INCOSE以及对象管理组织OMG在对软件工程统一模型语言UML进行重用和扩展的基础上，推出一种标准的系统建模语言SysML，消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。SysML的广泛应用必将提高系统工程之间以及和其他学科之间的有效沟通，将有力地推动系统工程理论和实践的发展。该文对系统工程方法，基于模型的系统工程和系统建模语言SysML进行了简要分析。关键词：SysML；系统建模语言；系统工程；MBSE中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)31-7780-04Model-BasedSystemsEngineeringAndSystemsModelingLanguageSUNYu,MALi(91872thUnit,Beijing102442,China)Abstract:Asthesystemsizeandcomplexitycontinuestoincrease,thetraditionaldocument-basedsystemsengineeringwillproducemoreandmoresortsofdifferentdocuments,findinformation,understandingandchangeishard.Modelplacesitisintuitive,unambiguous,mod⁃ular,reusableetc.rapidcoverageofsoftware,electronicsandotherengineeringfields.Inordertosupportmodel-basedsystemsengineeringMBSE,andINCOSEInternationalSystemsEngineeringintheObjectManagementGroupOMGUnifiedModelingLanguage(UML)soft⁃wareengineeringforreuseandexpansion,basedontheintroductionofastandardsystemmodelinglanguageSysML,eliminatingthediffer⁃entmodelslanguageexpressionsandthedifferentterminology,standardizedsymbolsandsemantics.SysMLwillimproveawiderangeofap⁃plicationsbetweensystemsengineeringandotherdisciplinesaswellaseffectivecommunicationsystemwillgreatlypromotethedevelop⁃mentofengineeringtheoryandpractice.Inthispaper,systemsengineeringmethods,modelbasedsystemengineeringandsystemsmodelinglanguageSysMLprovidesabriefanalyses.Keywords:SysML;systemsmodelinglanguage;systemsengineering;MBSE所谓系统，是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分所组成的具有某种功能的有机整体。系统工程是以系统理论为依据，以整个系统为研究对象，从全局统一考虑，运用运筹学、概率学与统计学、控制论、信息论、管理学、经济学及计算机科学等科学理论与方法去权衡解决问题，实现系统整体性价比最优的一门学科[1]。在系统工程初期阶段，系统产生的信息均是以文档的形式来描述和记录。但是随着系统的规模和复杂程度的不断提高，这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出，如信息表示不准确，容易产生歧义、难以从海量文档中查找所需信息、无法与其他工程领域的设计相衔接(如软件、机械、电子等)。为了解决这些问题，基于模型的系统工程MBSE(ModelBasedSystemsEngineering)[2]便产生了，这也正是未来系统工程发展的必然趋势。为了支持基于模型的系统工程MBSE，国际系统工程学会INCOSE以及对象管理组织OMG在对统一模型语言UML进行重用和扩展的基础上，推出一种标准的系统建模语言SysML（SystemsModelingLanguage），消除了不同模型语言在表达法及术语上的不同，规范了符号和语义。同统一模型语言(unifiedmodelinglanguage，UML)主导了软件工程设计一样，SysML也将是统一系统工程的建模语言。1系统工程概述《方法论》(Discoursdelaméthode)是法国著名哲学家、科学家和数学家勒内·笛卡儿在1637年出版的著名论著。笛卡儿在方法论中提出了一套研究问题的方法，其中最典型的观点就是把要研究的复杂问题，分解成比较简单的小问题，再把小问题从简单到复杂排列，先解决容易的问题。如果每一个小问题都解决好了，再组合起来的大问题自然就解决好了。笛卡儿的理论和观点对西方人的思维方式，行为模式以及科学研究方法产生了极大的影响。在十九世纪六十年代以前，西方科学研究的方法，基本都是按照笛卡儿的方法论进行的。《方法论》对西方近代科学文化的飞速发展，起了极大的促进作用。一直到美国阿波罗号登月工程的出现，科学家们才发现，有的复杂问题根本无法分解，即使分解了，各个小问题之间也有关联和冲突，必须收稿日期：2011-09-26作者简介：孙煜（1975-），女，山东招远人，工程师，硕士研究生，研究方向为故障测试诊断，系统工程方法，装备综合保障等；马力（1975-），女，工程师，硕士研究生，研究方向为电子标签，装备综合保障等。E-mail:[e-mail]电脑知识与技术Vol.7,No.31,November2011.780ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识与技术计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书第7卷第31期(2011年11月)第7卷第31期(2011年11月)7以复杂的、整体的方法来解决，因此系统工程方法出现了，方法论的方法才被综合性的系统工程方法所取代。简单地讲，系统工程就是开发解决问题的系统的思想方法，按照这样的方法和步骤就可以帮助人们了解一个系统，对于复杂的系统就不会使人感到无从下手。2基于模型的系统工程基于模型的系统工程MBSE(Model-BasedSystemsEngineering)就是采用模型的表达方法来描述系统的整个生命周期过程中需求、设计、分析、验证和确认等活动。随着系统的规模和复杂程度的提高，传统的基于文档的系统工程将产生大量的各种不同的文档，它面临的困难越来越明显：1）信息的完整性和一致性以及信息之间的关系难于评估和确定，因为它们散布于各种不同的数量巨大的文档中。2）难于描述各种活动。活动是动态的，有交互的，仅用文字描述对于相对简单，参与方不多的活动还能胜任，但对于复杂活动就很难描述清楚了。3）更改的难度很大。由于文档的数量巨大，要确保所有需要更改的内容都得到更改，将是个很难很大的工程。基于模型的系统工程MBSE的出现就是为了解决基于文档的系统工程方法的困难，相对于基于文档的系统工程方法，它主要在以下几个方面有所改进：1）知识表示的无二义性。文字的描述经常会因为个人理解的差异而产生不同的解释，而模型是一种高度图形化的表示方法，具有直观、无歧义、模块化、可重用等优点，建立系统模型可以准确统一地描述系统的各个方面，如功能、详细规范与设计等，对整个系统内部的各个细节形成统一的理解，尤其是可以提高设计人员和开发人员之间的理解的一致性。2）沟通交流的效率提高。随着系统的规模和复杂程度的提高，各种文档越来越多，相对于厚厚的技术文档，阅读图形化的模型显然更加便利直观、无歧义，使得不同人对同一模型具有统一一致的理解，有利于提高系统内各个需要协调工作部门之间的沟通与交流的效率，如顾客、管理人员、系统工程师、软硬件开发人员、测试人员等。3）系统设计的一体化。由于系统模型的建立是涵盖系统的整个生命周期过程的，包括系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，是一个统一整体的过程，可以提供一个完整的、一致的并可追溯的系统设计，从而可以保证系统设计的一体化，避免各组成部分间的设计冲突，降低风险。4）系统内容的可重用性。系统设计最基本的要求就是满足系统的需求并且把需求分配到各个组成部分，因此建立系统的设计模型必然会对系统的各个功能进行分析并分解到各个模块去实现，从而对于功能类型相同的模块就不必重复开发了。5）增强知识的获取和再利用。系统生命周期中包含着许多信息的传递和转换过程，如设计人员需要提取需求分析人员产生的需求信息进行系统的设计。由于模型具有的模块化特点，使得信息的获取、转换以及再利用都更加方便和有效。6）可以通过模型多角度的分析系统，分析更改的影响，并支持在早期进行系统的验证和确认，从而可以降低风险，降低设计更改的周期时间和费用。同其他工程学科（软件、电子等）一样，系统工程正在进行进化：从基于文档的方法到基于模型的方法，而这也正是系统工程发展的必然趋势。如图1所示。3系统建模语言SysML在SysML推出以前，系统工程使用的建模语言工具和种类很多，如IDEF0、行为图、N2图等。这些建模语言使用的符号和语义各不相同，各自为政，彼此之间互不支持，无法互操作和重用。系统工程缺乏一种强大的“标准的”建模语言，严重限制了系统工程和其他学科之间的有效沟通，影响了系统工程的质量和效率。为了支持基于模型的系统工程MBSE，是国际系统工程学会(Interna⁃tionalCouneilofSystemsSystemsEngineering，INCOSE)和对象管理组织(Ob⁃jectManagementGroup，OMG)联合提出的一种通用的针对系统工程应用的“标准系统建模语言”SysML(SystemsModelingLanguage)[3]，它可以支持系统工程应用的多领域系统包含硬件、软件、信息等系统的需求分析、系统设计、功能描述、系统验证等。系统工程经过多年的发展，逐渐在各个层次的理论研究和工程实践中提出了许多标准，如图2所示为系统工程的标准框架。一般从方法学上来讲，系统工程的实施可以分为5个层次，从顶层设计到具体实施分别是过程标准、体系结构框架、建模方法、建模与仿真标准、数据交换标准，以及最底层的数据库。SysML正是建模与仿真层的“标准建模仿真语言”。SysML作为系统工程领域一种新的系统建模语言，主要是以软件工程领域事实上的标准--统一模型语言UML(unifiedmodelinglanguage)为基础，集成了面向对象和面向过程的可视化设计语言的优势，修改扩充了活动图及需求图，并将配置图集成到装配图中，是系统工程领域推广的标准系统建模语言。SysML的设计目的是要解决系统工程中面临的建模问题，为系统设计师提供一种简单易学、功能强大的建模语言。SysML对于系统设计分析中系统的需求分析、结图1系统工程表示方法的转变图2系统